Информация о реакциях помогает создавать устойчивое жидкое топливо

Прочитано: 114 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Метанол, получаемый из углекислого газа в воздухе, можно использовать для получения углеродно-нейтрального топлива. Но для этого необходимо лучше понять механизм превращения метанола в жидкие углеводороды, чтобы можно было оптимизировать каталитический процесс. Теперь, используя сложные аналитические методы, исследователи из ETH Zürich и Института Пауля Шеррера получили беспрецедентное понимание этого сложного механизма.

Поскольку мы изо всех сил пытаемся совмещать воздействие выбросов с нашим желанием поддерживать наш энергоемкий образ жизни, использование углекислого газа в атмосфере для создания новых видов топлива является захватывающей, углеродно-нейтральной альтернативой. Один из способов сделать это — создать метанол из углекислого газа в воздухе, используя процесс, называемый гидрированием. Затем этот метанол можно превратить в углеводороды. Хотя они затем сжигаются с выделением углекислого газа, это уравновешивается двуокисью углерода, захваченной для производства топлива.

Для полной разработки этого устойчивого топлива необходимо более глубокое понимание механизма, с помощью которого метанол в реакции, катализируемой цеолитами, твердыми материалами с уникальной пористой структурой, превращается в углеводороды с длинной цепью. Имея это в виду, в рамках NCCR Catalysis, Швейцарского национального центра компетенций в области исследований, исследователи из ETH Zürich объединили усилия с исследователями из Института Пауля Шеррера PSI, чтобы раскрыть детали этого механизма реакции, результаты которого опубликованы. в журнале Nature Catalysis.

«Информация является ключом к разработке более селективных и стабильных катализаторов», — объясняет Хавьер Перес-Рамирес, профессор катализной инженерии в ETH Zürich и директор NCCR Catalysis, один из руководителей исследования. «До нашего исследования, несмотря на многочисленные усилия, ключевые механистические аспекты сложного превращения метанола в углеводороды не были хорошо изучены».

Исследователям было интересно сравнить процесс превращения метанола в углеводород с другим процессом: превращением метилхлорида в углеводороды. Нефтеперерабатывающие заводы часто сжигают большое количество ненужного богатого метаном природного газа. Эта загрязняющая и расточительная деятельность приводит к типичным факелам, связанным с нефтеперерабатывающими заводами . «Превращение метилхлорида в углеводороды — это своего рода промежуточная технология, — объясняет Перес-Рамирес. «Конечно, мы хотели бы отказаться от ископаемого топлива, но в то же время это был бы способ избежать растраты огромных запасов ценного метана».

Мелькающие молекулы газовой фазы рассказывают историю

Ключом к пониманию сложных механизмов реакции, подобных этим, является обнаружение различных участвующих частиц, включая промежуточные продукты. Традиционные методы рассматривают непосредственно поверхность катализатора, чтобы понять реакцию, но важная часть истории рассказана молекулами газовой фазы, которые отрываются от катализатора.

«Эти молекулы часто очень реакционноспособны и очень недолговечны, разлагаясь в течение нескольких миллисекунд. Это делает их идентификацию настоящей проблемой, поскольку традиционные методы анализа газовой фазы просто слишком медленны», — объясняет Патрик Хембергер, научный сотрудник вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) ) луч швейцарского источника света SLS, чьи сложные аналитические методы позволили исследователям изучить реакцию, как она происходила.

На линии пучка ВУФ спектроскопия фотоионных фотоэлектронных совпадений (PEPICO) недавно зарекомендовала себя как мощный аналитический инструмент в каталитических реакциях. Он сочетает в себе два различных аналитических метода , фотоэлектронную спектроскопию и масс-спектрометрию , для получения подробной информации о промежуточных продуктах газофазных реакций и даже позволяет различать изомеры.

«Поскольку мы одновременно собираем два разных типа информации, мы можем быстро идентифицировать эти мимолетные виды даже в смеси, содержащей до ста промежуточных продуктов и продуктов реакции. Это дает нам беспрецедентное понимание, которое просто невозможно с помощью обычных методов», — Хембергер. говорит.

Выявлены пути реакции

Спектроскопия позволила исследователям выявить, как формируются углерод-углеродные связи и растет углеводородная цепь, обнаруживая многочисленные промежуточные продукты. Для двух процессов — метанола в углеводород и хлористого метила в углеводород — исследователи заметили, что происходят разные промежуточные продукты реакции. Исходя из этого, они смогли определить два различных пути реакции, один из которых управляется метильными радикалами, присутствующими в обеих реакциях, а другой управляется оксигенированными частицами, так называемыми кетенами, которые происходят только в реакции метанола с углеводородом.

Исследователям также удалось понять интересную особенность реакций: через несколько дней катализатор дезактивировался, и реакция остановилась. Это произошло из-за образования нежелательного побочного продукта — кокса, который образуется из крупных ароматических углеводородов, отложившихся во время реакции.

С помощью другого спектроскопического метода, спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, исследователи увидели, что производство хлористого метила для производства углеводородов гораздо более склонно к коксообразованию, чем производство из метанола. Вооружившись знанием путей реакции, причина такого различия была ясна: «Путь превращения метанола в углеводород протекает по двум путям реакции, в то время как путь превращения хлористого метила в углеводород может идти только по пути более реакционноспособного метильного радикала, который более склонен к образуя кокс», — объясняет Гуннар Йешке, чья команда в ETH Zürich провела исследования спектроскопии электронного парамагнитного резонанса.

Понимание механизма оптимизации процесса

Понимание, полученное в ходе этого исследования, имеет важное значение для устойчивого развития жидкого топлива в будущем. Это может включать в себя поиск способов улучшить кислородный путь, тем самым подавляя образование кокса.

«Теперь у нас есть более глубокое понимание механизма реакции метанола с углеводородами или хлористого метила с углеводородами, и с помощью этих знаний мы можем целенаправленно оптимизировать производственный процесс, чтобы сделать его более эффективным», — добавляет Хембергер.

Информация о реакциях помогает создавать устойчивое жидкое топливо



Новости партнеров